有关湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降与其措施分析

季连晋

【摘 要】结合黄土的物理力学性质，分析湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降控制的重要性，探讨湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降的成因，并提出湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降控制措施。研究表明：黄土的湿陷性、水的影响、列车振动荷载、施工质量是造成湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降的主要因素，通过采取浅层换填、冲击压实、强夯法、挤密法、桩基法等地基处理手段，同时做好防排水、路堤边坡防护、路基沉降监测、路基养护等工作，可以提高湿陷性黄土地区高速铁路路基的强度和稳定性，将路基沉降控制在容许范围内，确保高速铁路的行车安全。

【关键词】湿陷性 黄土地区 高速铁路 路基沉降

随着经济社会的不断发展，我国已进入高速铁路建设的高潮期。较之普通铁路，高速铁路对轨道平顺性的要求更高，这就要求将路基沉降控制在尽量小的范围内。而湿陷性黄土由于特殊的土体性质，极易导致路基沉降，进而影响高速铁路的正常运营。因此，研究湿陷性黄土地区高速铁路的路基沉降成因，并提出切实有效的沉降控制措施，对我国高速铁路事业发展具有重要意义。

1 黄土的物理力学性质

黄土是陆相沉积的特殊土，是一种经第四纪干旱、半干旱气候，多种地质作用改造，仍然在演化中的土体，一般具有以下特征：

颜色以淡黄、灰褐、黄褐色为主，但也有棕黄、棕红等色；

呈松散结构状态，孔隙缝隙比约为0.7～1.1；

质地均匀，以粉粒为主，约占50%～75%，粉粒直径约为0.075mm～0.005mm；

碳酸钙含量约为10%～30%，含有少量溶盐与易溶盐；

垂直柱状土体节理发育；

含水量低，遇水易崩解。

层理结构不明显，可见堆积间断的剥蚀面，有棕红色古土壤层分布。

除上述基本特征之外，黄土由于沉积的地质年代不同，其性质也存在明显差异。黄土形成越晚，其特征越明显，对地基沉降的影响越大；反之，越是年代久远的黄土，其大孔结构退化越明显，土质更加密实，压缩性和湿陷性则相应减弱，对地基沉降的影响也就相对较弱。按照沉积年代的不同，可对黄土作如下划分，如表1所示。

黄土的性质与其成因、组分、湿度、结构及当地气候等也有很大关系，因此，不同地方的黄土在抗剪强度和压缩性方面也有所不同。湿陷性黄土按照湿陷机理的不同有非自重湿陷性黄土和自重湿陷性黄土之分。依据国内地质条件，一般将湿陷性系数超过0.015的归为湿陷性黄土，其中湿陷量不足7cm的湿陷性黄土属于非自重湿陷性黄土，反之则属于自重湿陷性黄土。

2 湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降控制的重要性

目前，我国在建高速铁路位于湿陷性黄土地区的主要有石太高速铁路、郑西高速铁路、西成高速铁路，西兰高速铁路、大西高速铁路。这些在建铁路已经暴露出湿陷性黄土地基沉降的问题，严重影响了高速铁路顺利建设。例如，郑西高速铁路（见图1）全程484.518km，是我国跨越湿陷性黄土地区的第一条高速铁路，跨越湿陷性黄土路段占线路长度的65%，湿陷程度从I级到IV级都有分布，而地基的沉降，就成了建设以及使用中的一大问题。

由于湿陷性黄土独特的物理力学性质，它的粘结力较弱，浸水饱和后易发生塌陷，塌陷即意味着土体结构的破坏和体积的缩小，也就标志着沉降的发生，为保证高速铁路的正常运营，必须将沉降控制在一定范围之内。针对这一情况制定的高速铁路有砟轨道路基沉降控制标准如表2所示。

在实际的高速铁路路基工程中，湿陷性黄土的沉降值取决于土体厚度、承载的应力及湿陷系数。以湿陷系数为0.05的10米厚黄土地层为例，其沉降值可达到0.5米，这无疑会对高速铁路的正常行使造成巨大影响，甚至导致铁路停运。因此，对于黄土湿陷问题必须加以重视，并提前进行评估与防范，以将路基沉降控制在容许范围内。

3 湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降的原因分析

3.1 黄土的湿陷性

通过分析黄土的物理力学性质，可知黄土的湿陷性是导致高速铁路路基沉降的主要原因，下面从微观角度来分析黄土湿陷的具体原因。根据现有研究，黄土遇水崩解是由其特殊的微观结构以及可溶盐胶结物的抗水性较差所决定的。黄土中粉状颗粒较多，相邻的粉粒之间借助可溶盐胶结在一起，在干燥状态下，黄土内部充斥着大量的架空孔隙，这样的结构可以防止土体在自重作用下压密变形。一旦黄土遇水，其中的可溶盐胶结物将很快溶解并软化，相邻粉粒之间的水膜变厚，粘结力下降，土体的c值和Φ值明显减小，抗剪强度大幅下降，原来的土体结构在自重或上层荷载的作用下便会很快遭到破坏，导致黄土湿陷。高速铁路路基会受到地上水或地下水的长期侵蚀，如防水、排水处理不当，就会逐渐导致地基的湿陷，进而引发高速铁路路基的沉降，且黄土的湿陷性越强，所导致的路基沉降就越严重。

3.2 列车振动荷载

列车振动荷载对路基填土的影响十分大，是造成路基沉降的重要原因。如今，随着列车设计时速的攀升，列车振动荷载亦有所加大，对路基的影响愈发明显。有研究表明，当列车高速行驶时，地基发生的振动位移要远远超出平时，严重的地基位移将直接加快路基的沉降速率，影响列车的正常行驶。

3.3 施工质量

施工质量的高低直接影响路基沉降的大小。施工时要严格控制路基压实度，确保路基填土压实到位，如果压实方法不合理、压实度不足，将直接造成工后沉降量的增大。影响路基施工质量的主要因素如下：基底处理的好坏、所用填料的类型、填筑的厚度、路基的压实度、自然沉降时间。对此，施工单位必须加强施工质量控制，最大限度地保证路基的强度和稳定性。

4 湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降控制措施

4.1 地基处理

对湿陷性黄土地区高速铁路的路基进行处理，首先应根据湿陷性黄土地区的特点，对铁路地基实施湿陷性方面的测量和评价，确定地基的湿陷等级、湿陷系数和处理深度。我国目前对湿陷性黄土地区高速铁路路基的处理方法主要有冲击压实、强夯法、桩基法等。

4.1.1 冲击压实

冲击压实法主要适用于浅层湿陷性黄土的压实处理，主要具有施工速度快、工程造价低、施工工期短等优点。下面以某黄土地区高速铁路路基工程为例进行具体说明。

该路段全长9.9KM，属非自重I级，自重II～III级湿陷性黄土，黄土分布深度为3～9m，湿陷性系数为0.020～0.035，平均湿陷量约为20cm。具体处理工艺如下：

①下承层准备：首先清表、整平、放线测量、测量土体含水量，然后对下承层加以补水或晾晒，确保土壤达到最佳含水量。

②冲击压实：冲压速率保持12～13km/h，压实时从路基一侧向另一侧转圈冲压。冲压顺序为先两边后中间，围绕碾压区外侧冲击碾压5遍，纵横两面同时重叠半轮转圈压实。每次压实后用平地机整平，并测含水量及时洒水，尽可能在最佳含水量下冲击碾压。

③数据收集：压实度每两遍测一组，每40m一个断面，每断面3个点，一组18个点，每点分0～50cm、50～80cm两层做压实度，上下两层各取平均值；沉降量每一遍测一组，每30m一个断面，每断面5个点，一组40个点取平均值。

路基压实度控制因素包括土层含水量、冲击压实速度、冲击压实次数等几个方面，通过对冲击压实过程的冲击次数和压实度相关数据进行统计分析得出以下曲线图（图2）。通过该图可以看出，当冲击压实次数达到第八次的时候，各项数据均达到了要求标准，达到第九次时0～50厘米土层的压实度开始出现下降、50～80厘米土层的压实度变化程度减小，其中前两次的冲击压实对地基的密实度起到了决定性作用。因此，该路基工程中，施工单位使用冲击压实法时应将冲击次数控制在八次左右，以达到沉降量和压实度的设计要求。

4.1.2 强夯法

强夯法作为湿陷性黄土地区高速铁路路基沉降处理中最为常见的方法，其处理深度大多在3～5米之间。这种地基处理方法不仅可以缩减地基的变形度，提高地基的密实度和承载能力，而且可以在一定程度上消除地基的湿陷性，提高地基的抗震性和稳定性。此外，强夯法具有经济性能好、适用范围广、施工方便等优点。强夯法的施工要注意以下几个方面的内容：最后两击的沉降量不能小于5厘米，30厘米以下的压实度不能小于95%，30～80厘米的压实度不能小于94%，80～120厘米的压实度不能小于90%。地基的湿陷性不能大于0.015，土地的密度也应控制在1.50～1.58g/cm3之间。

4.1.3 挤密法

挤密法是一种适用于地下水位以上非饱和湿陷土地的一种地基处理方法，其处理深度在5～10米之间，按处理流程主要分为夯实挤密法和成孔挤密法两种类型。采用挤密法时，首先应将成孔沉管深入土层中，使周围的土层因受到水平挤压作用而减少相互之间的空隙，消除或降低其湿陷性；然后将水泥土、素填土、灰土等各种类型的土体按比例混合并予以夯实，制成挤密桩复合地基，提高地基承载能力、有效控制地基沉降。须注意的是，在施工之前，施工单位应先选取局部地段进行试验，确保试验结果满足地基设计要求；在施工过程中，施工单位应选取正三角形进行挤密桩布置，并保证施工后地基的沉降量控制在15毫米以下。

4.1.4 桩基法

桩基法施工过程中最常用的是水泥粉煤灰碎石桩，其主体由碎石、粉煤灰、水泥、沙子等搅拌而成，能够有效提高高速铁路路基的承载能力。使用桩基法进行加固处理的机理有：排水固结机理、垫层机理、桩体作用机理等。桩基法是我国目前使用较多的一种路基处理方法，其处理效果较为满意。

4.2 防排水措施

防排水措施具体分为地面排水和地下排水两部分，就地面排水而言，首先应科学选定排水设施的类型和位置，通过增加截水沟、边沟等，将流向路基的水截断，并引入离路基较远的低洼处。其次，在排水系统的布置方面，施工单位应保证水流就近排出，如果受地下水的影响较大，则应优先使用地下排水设施，并配合使用地面排水设施。再次，应做好各种排水设施的衔接工作，避免排水设施的连接不畅。

就地下排水而言，施工单位应首先在地基底部设置足够的支撑渗沟和引水渗沟，并在路堤上设置截水渗沟，防止路基病害发生。其次，应保证侧沟的出水口留有足够的长度，防止水流出路基之后冲刷路基的边坡填土。再次，对于地基基底的渗水，应通过砂砾予以排除，确保地基的稳定与安全。

5 结语

高速铁路的发展带动了我国经济的发展和社会的进步，在今后很长一段时间内，我国将会继续完善高速铁路网，从而为经济社会发展提供更加有力的交通运输保障。但是湿陷性黄土所造成的路基沉降严重影响了我国高速铁路的运行质量和发展速度，对此，高速铁路施工单位应从加强地基处理和防排水处理两个方面作出努力，切实提高铁路路基的持久性和安全性，促进我国铁路事业健康发展。

参考文献：

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